Wikibooks

Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il plasma/Proprietà generali: differenze tra le versioni

Naviga nella cronologia in modo interattivo
← Differenza precedenteDifferenza successiva →
Contenuto cancellato Contenuto aggiunto
VisualeWikitesto
mNessun oggetto della modifica
modifica sostanziale
Riga 1:
{{Micro e nanotecnologia}}
Alcune proprietà dei plasmi sono comuni a quelle dei gas, infatti spesso abbiamo a che fare con plasmi con grado di ionizzazione di <math>10^{-4}\ </math>, quindi per alcuni versi è ben descritto ancora dalla legge dei gas. I processi di collisione all'interno del gas rappresentano un qualcosa che va considerato a parte.
== Plasma come conduttore elettrico ==
== Sezione d'urto ==
[[File:Disegno1plasma.jpg|thumb|right|schema di una scarica tra due elettrodi]]
Per descrivere i vari processi che avvengono in un plasma è utile introdurre la sezione d'urto una grandezza che ha le dimensioni di una superficie che dipende in genere dalle particelle interagenti che tanto più è grande tanto più facile è il processo.
I plasmi che vengono utilizzati nei processi tecnologici sono debolmente ionizzati, cioè in genere gli ioni sono in numero molto basso rispetto agli atomi neutri (in rapporto, circa, di 1/10<sup>4</sup>). A differenza deii plasmi totalmente ionizzati che si comportano come buoni conduttori elettrico, con conducibilità simili a quelle dei metali, plasmi debolmente ionizzati hanno una più limitata conducibilità elettrica. Vi è da aggiungere che in alcuni processi si tende ad aumentare notevolmente il grado di ionizzazione in questo caso si parla di plasmi ad alta densià ionica.
 
Immaginiamo che una particella debba interagire con delle molecole contenute in una fetta di area <math>A\ </math> e spessore <math>\Delta x</math>. Quindi se la densità delle molecole vale <math>n\ </math>. Vi saranno nel volume <math>N=nA\Delta x\ </math> particelle. Definiamo sezione d'urto <math>\sigma\ </math> l'ipotetica area intorno ad ogni molecola. In maniera tale che la probabilità di interazione sia pari a:
Consideriamo un sistema schematizzato nella figura a fianco.
{{Equazione|eq=<math>P=\frac {N\sigma }A\ =n\Delta x \sigma\ </math>|}}
Quindi è come se le <math>N\ </math> molecole con la loro sezione d'urto fossero schiacciate in 2 dimensioni sulla superficie <math>A\ </math>. La definizione ha senso se <math> n\Delta x \sigma\ \ll 1</math>, cosa sempre possibile o mediante la scelta di un <math>\Delta x</math>
piccolo o in quanto la densità <math>n\ </math> è bassa.
 
Se le particelle interagenti fossero delle sfere rigide di raggio <math>R_1\ </math> ed <math>R_2\ </math> la sezione d'urto coincide con la superficie di un cerchio di raggio <math>R_1+R_2\ </math>. Gli atomi nella maggior parte dei processi di collisione con particelle cariche avendo una struttura complessa non possono semplicemente considerarsi delle sfere dure.
Il gas rarefatto nell'ampolla è un plasma del quale è possibile studiare la caratteristica tensione-corrente ('''curva di scarica del gas'''). Essa risulta essere quella riportata nell'immagine qui sottostante:
 
Quindi si definisce il concetto di cammino libero medio, come derivata da questa definizione (la lunghezza per cui la probabilità diventa unitaria):
[[File:ScaricaDelGas.jpg|350px|thumb|left|Scarica nei gas, entrambe le scale su entrambi gli assi sono logaritmiche]]
{{Equazione|eq=<math>\lambda =\frac 1 {n\sigma }\ </math>|}}
In contrasto con la collisione tra sfere dure la sezione d'urto dipende dalla velocità delle particelle interagenti.
== Urti elastici ed anelastici degli elettroni==
Gli urti in generale possono essere divisi in due grosse categorie gli urti elastici e gli urti anelastici, a seconda se l'energia cinetica viene o non viene conservata.
Le particelle elementari come gli elettroni possono avere solo energia cinetica, gli atomi e le molecole che hanno delle strutture più complesse possono avere oltre alla energia cinetica varie forme di energia interna, dovuto ad un diverso assetto delle particelle elementari di cui sono composte. Quindi gli atomi e le molecole sono delle particelle non elementari.
 
=== Urto elastico tra elettroni e molecole del plasma===
Nel tratto iniziale si ha un comportamento tipicamente ohmico, in cui la corrente aumenta linearmente con la tensione. Subito dopo si ha un tratto in cui la curva diventa verticale; tale andamento è dato dal fatto che tutti gli ioni presenti nel dispositivo prodotti ad una certa tensione V, vengono raccolti dall'elettrodo (saturazione della corrente). All'aumentare della corrente infatti, aumenta anche la tensione scatenando un fenomeno di moltiplicazione per il quale gli elettroni assumono una energia cinetica molto elevata e, nell'attraversare l'ampolla, ionizzano il gas rarefatto in essa contenuto.
In un [[w:Urto_elastico|urto elastico]] vi è semplicemente un interscambio di energia cinetica tra le particelle interagenti. Nel caso di un urto centrale cioè un urto in cui il punto di contatto tra le particelle interagenti avviene lungo la traiettoria si ha il massimo trasferimento di energia cinetica tra i due corpi.
Imponendo la conservazione della quantità di moto e della energia cinetica si mostra, in maniera elementare, come per due corpi di massa <math>m_1\ </math> e <math>m_2\ </math> il rapporto tra l'energia cinetica finale e quella iniziale del corpo urtato (inizialemente con velocità o nulla o trascurabile) è al massimo:
{{Equazione|eq=<math>\frac {4m_1m_2}{(m_1+m_2)^2}\ </math>|}}
Se l'urto non è centrale l'energia trasferita è ancora maggiore. Tale equazione implica semplicemnte che in un urto centrale tra due particelle identiche la seconda inizialmente ferma, dopo l'urto la particella inizialmente in moto si ferma e l'altra acquista tutta l'energia cinetica.
[[Image:Crosssection_elastic_e_Ar.png|left|thumb|350px|Sezione d'urto nel caso di urto elastico tra elettroni e Argon]]
 
Nel caso invece della collisione tra un elettrone che ha una massa di appena <math>9.11\cdot 10^{-31}\ </math> con un'atomo di Argon che ha una massa 70000 volte maggiore solo 50 parti per milione dell'energia cinetica iniziale viene trasferita all'atomo di Argon dall'elettrone.
Nella '''regione di ''Townsend''''' la tensione si mantiene costante mentre la corrente aumenta di otto ordini di grandezza. Questa tensione costante è la tensione di ''breakdown'' del dielettrico, che dipende dalla pressione presente nell'ampolla e in questa regione la scarica ha una debolissima luminosità. Superata la regione di Townsend si osserva un tratto di curva a pendenza negativa, in cui il sistema è instabile, il sistema facilmente va in un regime oscillatorio. Successivamente si entra nel tratto della curva denominato “normale”, in cui il gas presenta forti proprietà luminescenti; in questo tratto infatti, lavorano tutte le [[w:Lampada_a_scarica|lampade a fluorescenza]]. La curva prosegue con un tratto detto “''abnormal''” e termina con l'arco che è presente anche a pressione atmosferica. Nella regione dell'arco la quantità di ioni prodotti è talmente elevata che si forma l'arco elettrico provocando così, la scarica del gas.
L'Argon è solo un esempio, ma è anche il gas più utilizzato nel processi con il plasma, altri ioni hanno masse dello stesso ordine di grandezza.
Quindi l'urto elastico non permette la termalizzazione degli elettroni, ma invece contribuisce a dare rendere casuale le traiettorie nelle varie direzioni dello spazio. La sezione d'urto elastica è una delle massime possibili e dipende dal gas presente, il caso più interssante è quello dell'urto elastico tra elettroni e l'Argon, mostrato nella figura a fianco.
===Ionizzazione ===
[[Image:Cross_section_ionization.png|left|thumb|350px|Sezione d'urto di ionizzazione per gli elettroni in due gas nobili l'Elio e l'Argon]]
Il processo di ionizzazione è un tipico urto anelastico. In questo caso l'elettrone urta contro un atomo e rimuove da esso un elettrone, producendo uno ione positivo e due elettroni:
{{Equazione|eq=<math>e^-+A->2e^-+A^+\ </math>|}}
I due elettroni prodotti nella collisione di ionizzazione possono essere accelerati dal campo elettrico localmente presente e a loro volta inonizzare ulteriormente altri atomi, grazie a questo processo di moltiplicazione il plasma viene mantenuto.
 
Il processo di ionizzazione è un processo chiaramente a soglia, infatti l'energia cinetica dell'elettrone interagente deve essere superiore all'energia di legame che l'elettrone meno legato dell'atomo ha. Tale energia di legame nel caso dell'Argon vale 15.8 eV (i gas nobili hanno le massime energie di legame).
Per produrre un plasma a temperatura ambiente è sempre necessario fornire energia al sistema dall'esterno. Il sistema visto nella figura precedente è un modo possibile di produrre un plasma: l'energia dell'alimentatore permette di ionizzare gli atomi del gas. Allontanando gli elettrodi, il cammino che gli elettroni devono compiere aumenta e, di conseguenza, aumenta la probabilità che gli elettroni ionizzino il mezzo. In altre parole, allontanando gli elettrodi si ha una diminuzione della tensione necessaria ad innescare il plasma, infatti aumentando il cammino degli elettroni aumenta la probabilità di ionizzazione del mezzo. Quindi se l'alimentatore fornisce una tensione costante la corrente della scarica cresce.
 
Il processo di ionizzazione di un gas è prodotto principalmente dagli elettroni accelerati dai campi elettrici presenti nel gas, anche se vi sono altri processi di ionizzazione ad esempio la fotoionizzazione, cioè l'interazione di fotoni, particolarmente energetici, con atomi. tale processo avviene principalmente sulle pareti della camera, piuttosto che all'interno del plasma. Anche gli ioni possono ionizzare il gas, la sezione d'urto per tali processi è di un ordine di grandezza minore cioè difficilmente si arriva sezioni d'urto di <math>10^{-22}\ m^2</math> e ad energia degli ioni eccedenti i 500 eV, quindi questo processo è trasscurabile tranne che nell'inmpatto con il catodo in cui vengono prodotti elettroni secondari.
La tensione di breakdown varia con la pressione raggiungendo un minimo ad una pressione che dipende dal gas presente e dalla distanza degli elettrodi: secondo la [[w:Legge_di_Paschen|legge di Paschen]].
La spiegazione di tale legge empirica e che a pressione elevata il cammino libero medio è piccolo e quindi sono necessari campi elevati per innescare il plasma, mentre a pressioni molto basse la probabilità di collisione degli elettroni, diventa bassa e quindi solo campi molto grandi riescono a creare una ionizzazione. I due effetti sono in competizione e quindi esiste una pressione ottimale in cui il cammino libero medio degli elettroni è sufficientemente grande a permettere la ionizzazione ma non così grande da renderla estremamente improbabile.
 
Notiamo inoltre che, come si evince dalle curve di sezione d'urto, sia meno frequente il fenomeno di ionizzazione dell'urto elastico, infatti nel caso dell'Argon il rapporto tra le due sezioni d'urto massimo è quasi dieci, questo significa che è più frequente un urto elastico rispetto ad un urto anelastico che produce ionizzazione.
==Interazioni possibili tra ione e atomo==
===Eccitazione===
Come già accennato un plasma è composto da atomi neutri (molti, quasi la totalità) , ioni positivi ed elettroni (in numero uguale). La massa degli ioni è molto maggiore rispetto a quella degli elettroni, di conseguenza, un campo elettrico accelera gli elettroni portandoli ad elevate energie cinetiche in un tempo molto breve rispetto a quanto avviene per gli ioni. Ciò che interessa, quindi, sono le possibili interazioni tra un elettrone di elevata energia cinetica ed un atomo.
Un altro tipo di urto anelastico è un urto in cui l'elettrone interagendo con l'atomo, nello stato fondamentale, sposta un elettrone legato in un livello energetico più alto. I livelli energetici degli elettroni negli atomi sono dei valori quantizzati che dipendono dai vari atomi. Questo processo va sotto il nome di eccitazione. Un atomo in questo stato eccitato si indica con un asterisco nell'apice.
{{Equazione|eq=<math>e+A->e+A^*\ </math>|}}
Come nel caso della ionizzazione esiste una energia minima per provocare un fenomeno di questo tipo, l'energia di eccitazione, ad esempio nel caso dell'Argon vale 11.6 eV, quindi un poco inferiore all'energia di ionizzazione. Si capisce la ragione in quanto per ionizzare occorre strappare un elettrone da un atomo e quindi il processo richiede una maggiore energia.
La sezione d'urto di questo processo è inferiore a quella di ionizzazione, è sempre una curva a campana che nel caso dell'Argon ha un massimo a 21 eV dove la sezione d'urto vale <math>4\cdot 10^{-21}\ m^2</math>, al di sotto di 11.6 eV è nulla (soglia del processo) ed a 100 eV la sezione d'urto è diminuita di un fattore 4 rispetto al massimo. Vi è da aggiungere che esssendo un processo simile alla risonanza la curva della sezione d'urto è una curva che forma una campana più stretta intorno alla energia per cui si ha la massima probabiltà di eccitazione (grande sezione d'urto).
===Dissociazione===
Il terzo processo anelastico possibile è l'interazione tra un elettrone ed una molecola (non un atomo) ed in questo urto la molecola si scinde nei suoi componenti. L'energia di legame delle molecole è in genere minore di qualche eV, quindi anche se questo è un processo a soglia è ovviamente possibile con elettroni molto meno energetici. Un esempio:
 
{{Equazione|eq=<math>e^-+O_2->e^-+2O\ </math>|}}
La caratterizzazione dei processi di collisione viene fatta mediante la cosiddetta '''sezione d'urto <math>\sigma\ </math> '''.
Un risultato comune nella dissociazione è un aumento dell'[[w:Attività_(chimica)|attività (chimica)]] in quanto i prodotti di reazione sono normalmente più reattivi delle molecole da cui derivano. La dissociazione può non essere accompagnata da ionizzazione:
Tale grandezza ha le dimensioni di una superficie ed è collegata ala dimensione di spazio in cui avviene la collisione.
{{Equazione|eq=<math>e^-+CF_4->e^-+CF_3+F\ </math>|}}
La sezione d'urto è legata al cammino libero medio infatti in un gas con densità <math>n\ </math> una particella con sezione d'urto <math>\sigma\ </math>, ha un cammino libero medio <math>\lambda\ </math> pari a:
o possiamo avere ionizzazione dissociativa:
{{equazione|eq=<math>\lambda =\frac {1}{n \sigma}</math>}}
{{Equazione|eq=<math>e^-+CF_4->2e^-+CF_3^++F\ </math>|}}
La sezione d'urto caratterizza l'urto, in quanto esprime la probabilità con cui un certo evento avvenga: maggiore è la sezione d'urto più probabile è l'evento.
Tali processi hanno sezioni d'urto che possono variare in maniera significativa.
=== Assorbimento degli elettroni===
Mentre i gas nobili difficilmente avendo l'ultimo orbitale completo non hanno la tendenza a legarsi con gli elettroni liberi. I gas
Nella collisione anelastica con atomi di [[w:Alogeno|alogeni]] che hanno una elevata elettronegatività, facilmente formano ioni negativi. Quindi un processo tipico ad esempio dell'[[w:Esafluoruro_di_zolfo|esafluoruro di zolfo]] è:
{{Equazione|eq=<math>e^-+SF_6->SF_6^-\ </math>|}}
tale processo ha sezione d'urto massima per elettroni di bassa energia (pochi eV) <math>10^{-21}\ m^2</math>, in quanto dovendosi conservare l'energia e la quantità di moto questa diventa una condizione indispensabiel.
==Collisione tra ioni e molecole==
Gli ioni e le molecole del gas collidono sia elasticamente che non elasticamente la collisione elastica determina una termalizzazione del gas di ioni, tale termalizzazione non è completa in quanto gli ioni mediamente continuano ad acquistare energia a spese del campo elettrico localmente presente.
===Trasferimento di carica===
Questo è un processo elastico in cui uno ione con una energia cinetica maggiore urta una molecola neutra, se la molecola è la stessa dello ione urtante il processo ha una elevata sezione d'urto:
{{Equazione|eq=<math>A+A^+->A^++A\ </math>|}}
La sezione d'urto per scambio di carica tra molecole differenti ha in genere sezione d'urto minore:
{{Equazione|eq=<math>A+B^+->A^++B\ </math>|}}
L'effetto di tale scambio di carica tra ioni simmetrici nella regione in cui il plasma è luminoso, in quanto provoca semplicemnte uno scambio di quantità di moto. Nella regione della guaina (sheath)
l'effetto prodotto è di cambiare la distribuzione di energia degli ioni e delle molecole che arrivano sugli elettrodi.
 
La sezione d'urto è massima per energia di 0 eV con valore di qualche <math>10^{-20}\ m^2</math>, che diminuisce all'aumentare dell'energia dello ione che collide.
;Urto elastico
===Collisioni metastabili===
:L'urto elastico è l'evento più probabile quando un elettrone incontra un atomo. Nell'urto elastico l'energia cinetica totale si conserva, e si ridistribuisce tra le due particelle in maniera tanto più efficiente quanto più le due masse sono uguali; in questo caso la massa dell'elettrone è trascurabile rispetto a quella dell'atomo con cui interagisce, perciò, il solo effetto dell'urto elastico è quello di deviare la traiettoria degli elettroni, limitandone il cammino libero medio e la massima velocità raggiungibile.
La probabiltà di collisioni tra atomi eccitati dipende dal loro numero e quindi dal tempo di vita dello stato metastabile. Alcuni stati eccitati hanno tempi di vita molto lunghi anche secondi e quindi sono conosciuti con il nome atomi eccitati metastabili; questo deriva da proprietà intrinseca della transizione dei livelli (regole di selezione che inibiscono il decadimento). In particolare i gas nobili hanno tutti stati metastabili ad esempio lo stato eccitato di 11.7 eV dell' Argon è metastabile. Quando un atomo metastabile incontra un atomo o molecola neutra, essa può divenire ionizzata se la sua energai di ionizzazione è inferiore alla energia di eccitazione dell'atome eccitato:
;Urto anelastico
{{Equazione|eq=<math>A^*+B->A+B^++e^-\ </math>|}}
:Un urto anelastico può provocare la ionizzazione. L'elettrone che colpisce l'atomo, avendo una energia cinetica sufficientemente elevata, riesce a strappare da esso un elettrone, ionizzandolo (es. e- + He --> 2e- + He+). Un processo simile è quello della fotoionizzazione. I fotoni possono ionizzare un gas se la loro energia (h<math>\nu \ </math>) è maggiore o uguale all'energia di ionizzazione del gas stesso (es. L'energia di ionizzazione del Argon è pari a 15,7 eV, affinche si riesca quindi a ionizzare tale elemento per via della fotoionizzazione, bisogna irradiare sul gas un'onda elettromagnetica di lunghezza d'onda <math>\lambda</math> pari a 80 nm).
Tale processo è noto sotto il nome di [[w:Ionizzazione_di_Penning|Ionizzazione di Penning]]
In questo caso è facilmente intuibile il legame tra la sezione d'urto e la probabilità che la ionizzazione avvenga. Infatti la probabilità di ionizzazione dipende dalla lunghezza del cammino degli elettroni (più strada devono percorrere gli elettroni, maggiore è la probabilità che nel percorso incontrino delle particelle di gas e le ionizzino), il cammino è a sua volta legato alla sezione d'urto.
==Processi inversi==
;Eccitazione
Molti dei processi descritti hanno un processo inverso che stabilisce un equilibrio dinamico. Alla ionizzazione si contrappone la ricombinazione che però è inibita all'interno del plasma, infatti nel processo di ricombinazione un elettrone dovrebbe riunirsi con uno ione positivo formando una specie neutra, ma un processo di questo genere deve rispettare le regole di conservazione della quentità di moto e dell'energia, un semplice calcono mostra come non sia possibile rispettare tali condizioni, per cui il processo di ricombinazione ha bisogno di un terzo corpo, che sarà una altra molecola di gas se la densità del gas è elevata o più probabilmente le superfici della camera. La ricombinazione quindi avviene ma con una frequenza minore di quella che ci aspetterebbe, mantenendo elevato il grado di ionizzazione del plasma.
:La ionizzazione del gas avviene bombardando con elettroni il gas; durante il bombardamento, un elettrone urta un atomo e gli cede quasi tutta la sua energia. Gli elettroni più esterni vengono promossi ad un orbitale ad energia più elevata (l'energia nel quale viene promosso l'elettrone dipende dall'energia cinetica posseduta dall'elettrone prima dell'urto) e l'atomo risulterà quindi eccitato e occuperà uno spazio maggiore rispetto all'atomo neutro, mentre l'elettrone impiegato per l'eccitazione, avendo perso parte della sua energia per eccitare l'atomo, avrà una velocità decisamente minore di quella iniziale e prima dell'urto.
;Dissociazione
:La dissociazione è un fenomeno che può avvenire quando un elettrone urta un gas molecolare. In questo caso, se l'energia dell'elettrone è sufficiente elevata esso riesce a strappare un atomo dalla molecola e si forma un radicale libero.
 
Gli atomi eccitati, tendono invece a ritornare in tempi più o meno rapidi da frazioni di ns a s nello stato fondamentale, emettendo un fotone di frequenza tale, che la sua energia sia pari esattamente alla differenza di energia tra l'atomo eccitato e quello stabile:
Gli elettroni aventi energia prossima ai 100 eV sono quelli che svolgono meglio la funzione di ionizzazione del gas.
{{Equazione|eq=h\nu =E(A*-A)\ </math>|}}
 
<gallery>
Tutti i fenomeni fin qui indicati, presentano un fenomeno duale.
Image:HeTube.jpg|Emissione da parte di un tubo riempito di [[w:Elio|Elio]] colore bianco rosato.
;Diseccitazione
Image:NeTube.jpg|Emissione da parte di un tubo riempito di [[w:Neon|Neon]] colore rosso arancio.
:In un atomo eccitato, l'elettrone che era stato promosso ad un orbitale di energia maggiore decade ad un livello energetico più basso. Nel decadimento viene prodotto un elettrone la cui energia sarà pari al differenza di energia tra i due orbitali (il fondamentale ed il livello eccitato).
Image:ArTube.jpg|Emissione da parte di un tubo riempito di [[w:Argon|Argon]] colore blu viola.
Il processo di decadimento è in genere radiativo, con cioè l'emissione di un fotone di energia
Image:KrTube.jpg|Emissione da parte di un tubo riempito di [[w:Kripton|Kripton]] colore grigio verde.
pari alla differenza di energia; quindi dall'analisi spettrale di tale radiazione è possibile risalire alla composizione chimica del plasma.
</gallery>
;Ricombinazione
:La ricombinazione è il processo inverso della ionizzazione. Il processo di ricombinazione non è semplice perché devono conservarsi contemporaneamente l'energia e la quantità di moto e questo è reso difficile dalla piccola massa dell'elettrone. Molto spesso la ricombinazione avviene tramite l'intervento di un terzo elemento come, ad esempio, le pareti del recipiente nel quale il gas è contenuto o nel caso di plasmi a pressioni elevate con l'intervento di un secondo atomo (processo
a tre corpi)
 
Le lampade a scarica luminosa hanno una colorazione che dipende dalla frequenza della luce emessa
==Processo di fotoionizzazione==
come mostrato nella immagine precendete.
 
Infine la ricomìbinazione dei radicali avviene in genere sulle pareti e viene sfruttata per i processi chimici mediante plasmi, genericamente indicati come Reactive Ion Etching.
La '''fotoionizzazione''' è un processo fisico mediante il quale si può ionizzare un gas utilizzando fotoni. In tale processo, un fotone, urtando un atomo, uno ione o una molecola, espelle uno o più elettroni. Gli elettroni espulsi, detti fotoelettroni, trasportano informazioni sul loro stato precedente alla ionizzazione. Ad esempio, un singolo elettrone può avere un'energia cinetica uguale all'energia del fotone incidente meno l'energia dell'orbitale in cui era posto. Fotoni aventi energie minori all'energia di legame dell'elettrone vengono assorbiti o sono soggetti a scattering, ma non danno luogo alla fotoionizzazione dell'atomo o dello ione.Ad esempio, per ionizzare l'atomo di idrogeno è necessario che i fotoni abbiano un'energia superiore a 13,6 eV, che corrisponde ad una lunghezza d'onda di 91nm. L'energia del fotoelettrone fatto emettere da fotoni con energie maggiori di questa è data dalla relazione:
 
= Bibliografia =
<math>\frac{1}{2}mv^{2}=h\nu-13,6eV</math>
* {{cita libro| B. Chapman| Glow Discharges Processes| 1980 | John Wiley & Sons |ed= 2 ||lingua= inglese|isbn=047107828X}}
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Plasma]]
dove ''h'' è la costante di Planck e ''ν'' la frequenza del fotone.
 
Non tutti i fotoni che urtano gli atomi o gli ioni lo fotoionizzano; la probabilità di fotoionizzazione è legata alla sua sezione d'urto, che dipende dall'energia del fotone e dal materiale considerato. I fotoni con energie al di sotto del limite di ionizzazione hanno una sezione d'urto pari a zero; la sezione d'urto ha un massimo quando l'energia dei fotoni è pari all'energia di ionizzazione, per frequenze maggiori la sezione d'urto diminuisce come l'inverso del cubo dell'energia fotonica.
 
== Metallo in un plasma ==
[[File:MetalloInUnPlasma.jpg|250px|thumb|right|Metallo in un plasma]]
In un sistema come quello rappresentato nella figura a fianco si può considerare un plasma di Argon a temperatura ambiente T=295 K. In queste condizioni la corrente di ioni dovuta all'agitazione termica, è molto minore rispetto alla corrente di elettroni (anch'essa causata dall'agitazione termica). L'oggetto metallico immerso nel plasma quindi, verrà colpito da molti elettroni e tenderà a caricarsi negativamente. Il processo continua fin quando la carica accumulata dal metallo è tale da respingere gli ulteriori elettroni presenti. Ci sarà quindi nella zona spaziale vicina al metallo una densità alta di ioni positivi attratti dalla carica negativa, verranno invece allontanati gli elettroni in quanto due cariche dello stesso segno si respingono. Il potenziale del sistema risulta minimo sul metallo ed '''il plasma perde localmente la sua neutralità''' e risulta carico positivamente.
 
Quanto detto implica che un qualsiasi oggetto perturba il plasma facendo sì che esso si porti ad un potenziale negativo (il fenomeno appena descritto, infatti, può avvenire anche con le pareti del recipiente in cui è contenuto il plasma stesso).
 
== Plasmi non termici==
Come già accennato sopra, per poter avere plasma a temperatura ambiente dobbiamo fornire energia dall'esterno. Abbiamo due scelte:
* Corrente continua
* Corrente alternata
Per quanto riguarda la corrente continua lo schema che si utilizza è lo stesso di sopra. Gli elettroni nel processo di formazione del plasma sono fondamentali, ma sappiamo che quasi tutta la massa è contenuta nello ione. Nel processo di ''' dc-sputtering''' gli ioni, che hanno grazie alla loro massa una elevata quantità di moto, bombardano il catodo liberando sia elettroni che rimuovendo fisicamente gli atomi superficiali. Gli elettroni prodotti nella scarica vengono accelerati nella zona di spazio tra il catodo ed il plasma neutro, moltiplicando la ionizzazione. Gli atomi estratti dal catodo creano un flusso di materia che si deposita nelle superfici vicine. Il dc-sputtering può essere utilizzato solo con catodi conduttori, infatti in caso di ossidi il plasma non riesce ad autosostenersi.
 
A frequenze intermedie tra la frequenza di plasma degli ioni (poche centinaia di KHz) e quella di plasma degli elettroni una corrente alternata applicata tra un elettrodo isolato e massa determina
una carica negativa sull'elettrodo isolato, innescando un plasma che riesce ad autosostenersi, in questo caso il processo fisico prende il nome di ''' rf-sputtering''' ed è uno dei processi più diffusi per crescere film di varia natura, in maniera semplice ed economica.
 
Anche in corrente alternata per avere un plasma è necessario che le tensioni in gioco superino il campo di breakdown, per ottenere tensioni elevate con generatori adattati a <math>50 \Omega </math>
in genere si utilizzano delle reti di adattamento, cioè dei circuiti con elementi RLC variabili che permettano sia di trasferire la massima energia al sistema da vuoto, adattandone l'impedenza con quella del generatore, che riescano a formare la camera da vuoto un circuito risonante alla frequenza di alimentazione (aumentando di conseguenza la tensione efficace del segnale alternato applicato).
 
== Quadro dei plasmi nella tecnologia ==
 
*''plasma a glow discharge'':Forse i più comuni plasmi sono quelli delle [[w:Lampada_fluorescente|lampade a fluorescenza]]. Sono plasmi non termici generati dalla applicazione di campo elettrico o in corrente continua o a bassa frequenza alternata (inferiore ai 100kHz) a due elettrodi posti a distanza opportuna.
*''dc- sputtering'': Sono plasmi generati tra eleettrodi conduttori con un processo del tutto simile a quello dei plasmi a glow discharge, ma in questo caso le densità di correnti sono molto più elevate in quanto lo scopo è di erodere il materiale dell'elettrodo negativo, per asportarlo.
*''rf-sputtering'': Sono sempre dei plasmi capacitivi, ma la frequenza del campo elettrico alternato tra gli elettrodi è in genere, radio frequenza (tipicamente 13.56 MHz). Come per il dc-sputtering qui l'enfasi è posta sulla erosione delll'elettrodo isolato che portandosi ad un potenziale negativo viene chiamato catodo.
*''Plasmi accoppiati induttivamente'': In questo caso si ha una bobina esterna alla camera dove si vuole produrre il plasma alimentata a rf, che produce il plasma mediante il fenomeno della [[w:Induzione_elettromagnetica|induzione elettromagnetica]].
*'' Plasmi riscaldati da onde'': la frequenza che genera il plasma è una onda elettromagnetica che viaggiando nel mezzo mediante fenomeni elettrostatici ed elettromagnetici genera il plasma.
Tra le tecniche usate, in genere per produrre plasmi di alta densità vi è la risonanza di ciclotrone sia elettronica che ionica, per la propagazione dell'onda è necessario l'intervento di un campo magnetico coassiale.
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Il plasma]]
{{Avanzamento|75%|18 luglio 2009}}
Estratto da "https://it.wikibooks.org/wiki/Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_plasma/Proprietà_generali"